壓漿、大管棚在復雜地質條件下的應用

劉德強

（中鐵資源集團有限公司，北京 100070）

壓漿、大管棚在復雜地質條件下的應用

劉德強

（中鐵資源集團有限公司，北京 100070）

介紹了壓漿和超前管棚在不良地質隧道施工中的受力原理與應用。結合浙贛鐵路茶垣、楊樹灣隧道施工，介紹了破碎、松軟圍巖條件下大管棚的施工技術。實踐證明，超前管棚支護結構具有足夠的可靠性能，對于不良地質地下結構有較好的適用性。

支護；壓漿；大管棚；施工技術

在施工中經常會遇到軟弱、破碎、松散或斷層破碎帶或由于不規則開采形成的坑洞等復雜地質條件，此類工程開挖支護困難、地壓力大、支護變形大，有時會造成嚴重的塌方破壞，造成經濟損失和工期延誤。通過本人在浙贛鐵路電氣化改造工程施工中，以實際施工的兩座隧道為例談一下壓漿和大管棚壓漿超前支護的應用情況。

浙贛線電氣化提速改造工程Z15標段跨越新余、宜春、萍鄉三市，屬丘陵地帶，地勢起伏較大，線路通過地段基本為水田和丘陵。丘陵斜坡地貌，上覆粉質黏土，下伏基巖為泥質灰巖夾頁巖、風化頗重，局部存在風化差異現象，地下水不發育。本項目管段主要的控制工程是兩座雙線隧道，分別為茶垣隧道（327 m）和楊樹灣隧道（263 m）。

茶垣隧道地處丘陵剝蝕地貌區，地形起伏較大，地表植被發育。地表覆蓋坡殘積粉質黏土，厚0～5 m；下伏二疊系上統龍潭組（P2l）砂巖、頁巖夾灰質頁巖、煤層。全隧埋深淺（最大埋深42 m），巖性破碎，地表水較貧乏，地下水為基巖裂隙水，具中等溶出型和中等硫酸型侵蝕。不良地質為煤層采空區。據調查，進出口及洞身地表多為煤洞，多呈雞窩狀豎井開采，進、出口段均發現有地表塌陷現象；據鉆探揭示：隧道進口段有人工坑道。

楊樹灣隧道地處丘陵剝蝕地貌區，地表覆蓋坡殘積粉質黏土，厚0～5 m；下伏二疊系上統龍潭組（P2l）頁巖、砂巖夾灰質頁巖、煤層。單斜構造，節理發育，呈張開型，基巖破碎；地表水較貧乏，主要為基巖裂隙水，地下水埋藏較深，具中等溶出性及中等硫酸鹽侵蝕。不良地質為煤層采空區，據調查BDK821+561右80 m有很多煤洞，BDK821+650右80 m有采煤口，其已坍塌，無法進入，BDK821+750右50 m有一采煤口，已封閉。

1 地面及開挖掌子面松散體導管壓漿固結

洞口邊仰坡按設計開挖坡度開挖，并及時施作錨、噴、網聯合支護。開挖前做好洞頂截水溝，施工時做好洞口范圍的排水。茶垣隧道出口地處山體的松散堆積物中，在隧道出口明洞段開挖15 m后，由于擾動了坡腳，導致山體滑坡，裂縫和錯臺高達4 m。隧道初期支護全部坍塌，滑坡不斷發展變形，以致隧道無法施工。因此采取了抗滑樁加固滑坡，采用護壁法開挖3×2 m截面的抗滑樁20 m，共6根，隧道口兩側均布。同時對坡面松散圍巖壓漿固結，采用水灰比1∶1的水泥漿液，壓力1.2～2 MPa，用φ50 mm鋼管，鉆梅花形眼孔，間距20 cm。高壓注漿固結坡面。有時在洞室開挖掌子面松散時，也采取壓漿固結，這樣可達到固結圍巖，提高圍巖的穩固性和整體性，對下部施工創造有利條件。

2 超前大管棚支護及注漿

對松散破碎圍巖采取大管棚超前支護和注漿加固，才能保證開挖支護時局部穩定，給開挖支護提供條件和時間，有時還結合小導管超前支護。管棚工作原理：①通過管棚注漿，使拱頂預先形成加固的保護環。而加固環發揮“承載拱”的作用，承受拱上部的地面荷載和巖層重量，使拱內部圍巖僅承受拱部圍巖的形變壓力，從而創造理想的開挖條件。②當超前管棚沿隧道開挖輪廓周邊密布時，加固環的變形變小，傳遞給隧道支護結構的上部荷載減小，同時通過環形固結層與管棚，將拱部圍巖的形變應力傳遞給支撐拱架。由于支撐拱架間的相互連接，形成整體支護，有效地保證了掘進施工和初期支護的安全。管棚超前支護作用下隧道洞室的開挖，其力學特點是隧道的開挖過程等價于隧道開挖過程中管棚與隧道洞室以及圍巖相互作用的力學模型的不斷移動。管棚的起始端作用在型鋼架上，可視為有一定豎向位移的固定端；支撐管棚作用的基礎圍巖是彈性體，因而管棚可用Winkler彈性地基梁模型來描述。隧道開挖過程中管棚力學模型見圖1。

圖1 隧道開挖過程中管棚力學模型圖

2.1 大管棚設計

（1）拱部環向設置，每循環40根，環向40 cm，每循環管棚長20 m，循環搭接2 m。

（2）采用 108 mm×5 mm無縫鋼管，長6 m。

（3）管棚超前支護外插角進出口1°，洞內3°。

（4）采用水灰比1∶1水泥漿，425級普通硅酸鹽水泥。注漿壓力：初壓 0.5～1.0 MPa，終壓 2 MPa。

2.2 大管棚施工

2.2.1 洞口邊仰坡或管棚工作室施工

（1）在洞口6 m左右時預留核心土，作為導向拱及大管棚施工工作平臺。另外，為保持洞口仰坡穩定，結合管棚導向管，在洞口里程外2 m設置套拱，套拱施工時，需在拱腳采用鎖腳錨桿，以確定導向管穩定。在套拱范圍內開挖采用垂直坡，避免導向管侵占洞身，影響洞身支護。

（2）隧道內兩組管棚搭接處，為防止下一組管棚施工時侵入開挖線或仰角過大管棚末端上揚過高，根據管棚鉆機的外形尺寸（本工程采用MK5型鉆機）及操作要求，開挖長度6 m、斷面擴大0.5 m的管棚工作室。本次設計管棚長度為30 m，搭接2 m，所以每間隔28 m需開挖一個管棚工作室。考慮管棚工作室段施工斷面比一般地段大，且為上一組管棚的后半段，圍巖壓力增加，為確保安全，在管棚工作室施工前加設超前小導管支護。

圖2

2.2.2 導向管定位計算、放樣

管棚導向管的設置位置及角度的準確性直接影響管棚的質量以及管棚發揮超前支護作用的程度，這就決定了導向管定位的重要性。計算原則是既防止管棚侵入隧道初支界限或偏離開挖邊線較遠而無法真正起到超前支護作用，又考慮管棚鉆進過程中自重作用而產生的鉆頭下沉偏差。管棚鉆機鉆進位置控制以開孔所在斷面與管棚工作室起點所在斷面進行控制，兩個斷面距離28m，開孔斷面為初支外斷面，管棚工作室起點所在的斷面比起開孔所在圓弧半徑放大0.8m（其中管棚工作室提高0.6m，根據經驗28m左右管棚前端下沉量小于0.4 m），導向管長1 m。在不考慮線路縱坡及曲線的情況下，采用相似三角形等比原理分別計算導向管起終位置坐標及導向管的方位。

2.2.3 安裝導向管、施作套拱

工作室開挖、支護完成后，繼續向前開挖2榀標準斷面大約25 cm的斷面，盡快初噴，噴射C20混凝土5～8 cm封閉掌子面。在開挖工作面處先安設受力拱架，并在其上正確標明管棚位置。根據導向管定位坐標確定導向管位置，將導向管（長1 m的127 mm×6 mm鋼管）焊接在工字鋼上，導向管與鋼拱架之間高差可以采用鋼墊塊進行調整。焊接牢固，使鋼拱架與導向管形成整體，并迅速用噴射混凝土噴形成套拱。洞口段套拱對穩定仰坡有一定作用。

2.2.4 鉆孔、清孔、驗孔

采用潛孔鉆機Φ125鉆頭施鉆，仰角為設計角度1°～3°。開孔時鉆速宜低，鉆進50 cm后即用正常鉆速鉆進。同時用測斜儀器檢查鉆孔的傾斜度和方向，發現偏斜及時糾正，保證鉆入角度不變，孔口偏差不大于8 cm。鉆孔順序一般由高孔位向低孔位進行。

鉆孔是大管棚施工的關鍵工序，鉆孔的質量直接關系到管棚的整體質量。鉆孔前需搭建鉆機平臺，平臺采用預留核心土，在其上用枕木搭設，鉆機與平臺連接成整體，確保鉆機穩定，防止在施鉆過程中鉆機產生不均勻下沉或擺動，影響鉆孔質量。鉆機定位要與導向管方向一致，鉆進過程中要經常測量鉆桿角度，發現偏差及時調整。地質較好的地層可一次成孔，鉆進時如產生坍孔、卡鉆、需補注漿后再鉆進，在地質條件較差難成孔的地層則采用跟管鉆，見圖3。

圖3 管棚鉆孔示意圖

在鉆進過程中做好原始記錄，及時根據核心土質進行地質描述、判斷，作為隧道開挖的地質超前預報以及開挖依據。鉆孔完成后用鉆桿配合鉆頭進行來回掃孔，用高壓風通過鉆桿，從孔底逐漸向孔口清理鉆渣，確保孔徑、孔深符合設計要求，并檢查鉆孔位置、方向、深度、角度，檢查合格后進行管棚安裝。

2.2.5 鋼管棚制作

鋼管采用 108 mm×6 mm無縫鋼管，每節6 m，管棚接長采用絲口連接，管箍壁較鋼管厚，在專用的車床上進行絲扣加工，絲扣長10 cm。棚管四周鉆10 cm出漿孔，40 cm×40 cm呈梅花形布置，在尾部2 m范圍內不鉆孔，管頭切成圓錐形，有利于管棚頂進。然后把鋼管頂入注漿孔內，可采用風鉆或挖機直接推入。

2.2.6 頂進注漿管

采用鉆機低速頂進鋼管，鋼管連接采用絲扣，相鄰2根鋼管的接頭應前后錯開超過1 m，同一橫斷面內的接頭數≤50%，注漿管頂進應每鉆一根頂進一根。

2.2.7 漿液配制、注漿

大管棚注漿的主要目的是增強管棚的抗彎強度，通過漿液將周邊圍巖固結，以提高圍巖開挖后自穩能力。鋼管打入后采用注漿泵先壓水試壓，當壓力達到0.5 MPa時，穩壓2 min，以此沖刷坍體孔隙，擴大漿液通路，提高漿液滲透性。注漿材料可根據地質條件采用單液漿或雙液漿。

水泥漿攪拌在拌和機內進行，根據拌和機容量大小，嚴格按要求投料，水泥漿濃度根據地層情況和凝膠時間要求而定，一般控制在 0.8∶1～1.5∶1。

攪拌水泥漿的投料順序為：在加水的同時將緩凝劑一并加入并攪拌，待水量加夠后繼續攪拌1min，最后將水泥投入并攪拌3min。

緩凝劑摻量根據所需凝膠時間而定，一般控制在水泥用量的2%～3%。

在注漿開始前需做好注漿設計，單液漿采用水灰比為1∶1的水泥漿，在地下水豐富地段采用水泥水玻璃雙液漿，水泥漿與水玻璃體積比為1∶0.5。注漿過程采取注漿壓力和注漿量兩個指標綜合控制管棚注漿，進漿速度不能過快，一般控制在每根導管總進量≤30 L/min。導管注漿采用不定量注漿，當注漿終壓達到設計終壓，孔口壓力達到2.5 MPa時結束注漿；有時雖未達到設計終壓，注漿量達到設計注漿量的80%，即可結束單孔注漿。注漿結束后及時清洗泵、閥門和管路，保證機具完好，管路暢通。

2.2.8 注漿機械配備表

見表1。

表1 注漿機械配備表

2.2.9 注意事項

（1）壓漿順序為自下而上，先兩邊后中間。

（2）為避免漿液將已鉆好的孔充填，鉆孔和壓漿作業交替進行，鉆完一孔即壓一孔，壓完一孔鉆一孔。

（3）為節約水玻璃，第一次壓漿壓入雙液漿，達到止水效果后，可根據漿液滲漏情況，壓單液漿或間歇壓雙液漿。

（4）壓漿過程中注意記錄注漿時間、壓力及注漿量。

（5）兩臺同一型號的注漿泵，壓水泥漿的一臺開在250 L/min檔位上，壓水玻璃的一臺開在175 L/min檔位上，這樣出漿之比為175∶250=0.7，與設計配合比基本吻合。

2.2.10 注漿過程中異常現象的處理

（1）注漿過程中如發生串漿或跑漿時，采用稍加停機，再壓漿或將串漿孔堵塞，但停機時間不能超過管內混合漿液的凝膠。

（2）壓雙液漿時，壓力突然升高，則關停水玻璃閘閥及水玻璃泵，進行單液注漿或注清水，當泵壓正常時，再進行雙液注漿。

（3）若在注漿過程中遇到坍體空隙率大且局部有空洞，注漿量很大而注漿壓力上不去的情況，以控制注漿量為主，一般達到設計注漿量后，稍施穩壓即可停止注漿。

（4）注漿過程中應密切注意注漿壓力，若壓力突然迅速上升，則證明堵了管，應立即關閉注漿泵檢查管路，疏通后方能繼續注漿，否則會造成爆管漿液噴出傷人，同時要防止水玻璃溶液濺到皮膚上。

3 鎖腳大導管

在淺埋洞室開挖中圍巖破碎松散，即使采取了超前支護，但在開挖支護后，較短時間拱部就發生收斂下沉變形，無法保證型鋼支架的穩定，需要在間距0.8 m型鋼支架拱腳處施設鎖腳導管，以使支架保持穩定。在每榀拱架的拱腳，向下45°施設6 m長、φ108 mm的大導管，并把導管焊接于拱架上，以使拱架承受的力傳至鎖腳導管，有效控制了拱架的下沉變形。

4 體會

茶垣和楊樹灣隧道采用壓漿和大管棚超前支護措施，取得了良好的效果，有效治理了破碎松軟圍巖和多次塌方變形,保證了隧道的安全施工，減少了地面下沉以及采煤巷道對施工的影響，為類似工程積累了施工經驗。

（1）對松散、破碎、裂隙發育、地下水豐富的圍巖采取壓漿固結是十分有效的方法，提高了圍巖的整體性和穩定性，同時可起到止水效果。

（2）對松軟圍巖開挖洞室，不能拘泥于新奧法施工的充分發揮圍巖的自承力理念，而是要強支強撐，提供及時、足夠的支撐體系，保證圍巖的穩定，大管棚注漿就是超前給予圍巖有效的支撐。

（3）用管棚作為鎖腳，擴大了拱架拱腳受力面積，有效控制了下沉和變形，同時在后續的中下導施工中，為拱架提供了支撐點，改變了以往拱架靠徑向錨桿和縱向連接筋的拉承體系，將受力通過管棚傳至深部圍巖，并改善拉力為壓力，有利于穩定。

5 結束語

超前管棚支護實際上就是超前錨桿施工的發展。實踐證明，超前管棚支護結構有足夠的可靠性能，對于各種特殊、困難地段有較好的適用性。

（1）超前管棚支護利用鋼管作為縱向支撐、鋼拱架作為橫向環形支撐，構成縱、橫整體，剛度較大，能阻止和限制圍巖變形，并能提前承受早期圍巖壓力。

（2）管棚支護及注漿施工不需要大型機具設備、工藝簡單、操作方便，預加固效果明顯。其施工速度快，支護及時、效果好，安全性高，能阻止嚴重滲水，經濟效益和社會效益明顯。

（3）對于洞口的軟弱破碎圍巖地段、淺埋地段，開挖在超前管棚支護下進行，提前發揮超前支護作用，可增加施工安全度，有效保證巖體穩定，減少地表下沉和防止圍巖松弛、坍塌。

（4）對礦山施工處理破碎、軟弱、洞室影響圍巖有一定的借鑒作用，礦山有時遇到破碎又需開采的礦體，可采用管棚支護提供安全空間進行開采，擴大開采作業面。

Application of Mud Jacking,Big Tube Awning under Complex Geology

Liu Deqiang

The article introduced the mud jacking and manages the awning in bad geological tunnel construction stress principle and the application in advance.Unifies the Zhejiang and Jiangxi iron tea made where grown and shipped directly to markets wall，the poplar tree bay tunnel construction，introduced stave，under the soft adjacent formation condition the big tube awning construction technique.The practice proved that manages the awning supports and protections structure to have the enough reliable performance in advance，has the good serviceability regarding the bad geological underground structure.

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U455.49

A

1000-8136(2011)05-0001-03